CN104681883A - 高可靠水体系金属锂电池的制备方法 - Google Patents

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桑林
郝明明
孙文彬
丁飞
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Abstract

本发明涉及一种高可靠水体系金属锂电池的制备方法，包括封装在铝塑膜和微晶玻璃陶瓷电解质片之间的金属锂，其特点是：对微晶玻璃陶瓷电解质片表面进行抛光、预处理；在预处理后的微晶玻璃陶瓷电解质片靠近四周制作金属过渡层；金属过渡层通过热熔胶与铝塑膜封装成一体。本发明通过对微晶玻璃陶瓷电解质片抛光、预处理，除去杂质和油污，在微晶玻璃陶瓷电解质片与铝塑膜站接处的部位沉积一层金属作为金属过渡层，有效防止了有机电解液和水系电解液长时间浸泡条件下金属层与微晶玻璃陶瓷电解质片发生脱离的现象，避免了因密封界面脱离造成的电池泄露，保证电池长时间稳定存储及放电，大大调高了水体系金属锂电池的安全性。

Description

高可靠水体系金属锂电池的制备方法
技术领域
本发明属于锂电池材料技术领域，特别是涉及高可靠水体系金属锂电池的制备方法。
背景技术
高可靠水体系金属锂电池作为可长期储备并具有更高比能量和比功率潜力的电化学体系而成为锂系列电池研发的一个新兴的重要方向。高可靠水体系金属锂电池的理论比能量远高于传统的化学电源体系，是常规锂电池能量的十倍以上。因金属锂很容易被水腐蚀析氢，造成容量的损失和安全隐患，目前的高可靠水体系金属锂电池主要采用微晶玻璃陶瓷电解质片来保护金属锂。微晶玻璃陶瓷电解质片是电子绝缘体，但是能够在电场作用下实现锂离子的传导，由于膜层本身结构致密，因此它能够完全阻挡水分子的穿透，避免水直接接触到金属锂的表面发生析氢放热反应。
目前，常规封装高可靠水体系金属锂电池的方法大多通过热熔胶封装微晶玻璃陶瓷电解质片，由于微晶玻璃陶瓷电解质片与热熔胶长时间处于有机电解液和水系电解液环境下会在界面发生脱离，这样电池在长时间储存及放电过程中从会有泄露失效甚至发生爆炸的危险。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种有效防止电池密封界面脱离造成电池泄露，保证电池长时间储存安全的高可靠水体系金属锂电池的制备方法。
本发明包括如下技术方案：
高可靠水体系金属锂电池的制备方法，包括通过热熔胶，将金属锂密封封装在铝塑膜和微晶玻璃陶瓷电解质片形成的密封空间，其特点是：包括以下顺序的制作步骤：
⑴先后对微晶玻璃陶瓷电解质片表面进行抛光、预处理；
⑵在预处理后的微晶玻璃陶瓷电解质片一面上靠近四周处制作金属过渡层；
⑶将步骤⑵制作微晶玻璃陶瓷电解质片上的金属过渡层通过热熔胶与铝塑膜进行密封封装成一体，在干燥气氛下注入电解液，完成本发明高可靠水体系金属锂电池的制作过程。
本发明还可以采用如下技术措施：
所述微晶玻璃陶瓷电解质片表面抛光过程包括：用5000～7000目的抛光砂纸，通过研磨抛光机在微晶玻璃陶瓷电解质片一面进行转速80～150rpm、10～30min的抛光。
所述微晶玻璃陶瓷电解质片预处理过程包括：
⑴在超声波清洗机中，用乙醇或丙酮有机溶剂对微晶玻璃陶瓷电解质片超声浸泡5～30min，除去微晶玻璃陶瓷电解质片的表面油污；
⑵将除去油污后的微晶玻璃陶瓷电解质片在浓H2SO4+K2Cr2O7洗液中浸泡1～20min；
⑶用去离子水将洗液浸泡后的微晶玻璃陶瓷电解质片超声清洗3～6次，每次超声清洗的时间为5～15min；
⑷将清洗后的微晶玻璃陶瓷电解质片置于真空干燥箱，50～100℃温度下干燥3～12h，完成微晶玻璃陶瓷电解质片的预处理过程。
所述步骤⑵中金属过渡层的制作过程包括：
⑴采用磁控溅射设备，在惰性气体Ar环境中，将与铝塑膜粘接部位的微晶玻璃陶瓷电解质片表面沉积一层铝、钛或镍层作为金属过渡层；
⑵对金属过渡层分别进行脱脂、出光和钝化处理。
所述脱脂处理为将金属过渡层在浓度为1～5%的C106脱脂液中浸泡10～60s，取出后用去离子水冲洗30～180s；所述出光处理为将脱脂处理后的金属过渡层在浓度为30～80%D140的出光液中浸泡5～30s，取出后用去离子水冲洗30～180s；所述钝化处理为将出光处理后的金属过渡层在浓度为1～10%的B901钝化液浸泡30～120s，取出后用去离子水冲洗30～180s。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明通过在表面进行抛光、预处理的微晶玻璃陶瓷电解质片，除去了其表面附着的杂质和油污，并通过洗液的作用除去表面不利基团，增加了在其表面沉积金属等物质时的结合力，之后采用磁控溅射方式在微晶玻璃陶瓷电解质片与铝塑膜站接处的部位沉积一层金属作为金属过渡层，有效防止了有机电解液和水系电解液长时间浸泡条件下金属层与微晶玻璃陶瓷电解质片发生脱离的现象，避免了因密封界面脱离造成的电池泄露，保证电池长时间稳定存储及放电，大大调高了水体系金属锂电池的安全性。
2、本发明采用处理液对过渡金属层进行表面处理，加强连过渡金属层表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性，进一步加强了过渡金属层与热熔胶之间的粘接性，有效提高了过渡金属层与热熔胶长期可靠的密封性。
附图说明
图1是本发明经表面处理后的微晶玻璃陶瓷电解质片与铝塑膜内部封锂示意图。
图中：1-铝塑膜，2-热熔胶，3-金属过渡层，4-微晶玻璃陶瓷电解质片，5-金属锂。
具体实施方式
为能进一步公开本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图进行详细说明如下。
高可靠水体系金属锂电池的制备方法，包括通过热熔胶，将金属锂密封封装在铝塑膜和微晶玻璃陶瓷电解质片形成的密封空间，其特点是：包括以下顺序的制作步骤：
⑴先后对微晶玻璃陶瓷电解质片表面进行抛光、预处理；
⑵在预处理后的微晶玻璃陶瓷电解质片一面上靠近四周处制作金属过渡层；
⑶将步骤⑵制作微晶玻璃陶瓷电解质片上的金属过渡层通过热熔胶与铝塑膜进行密封封装成一体，在干燥气氛下注入电解液，完成本发明高可靠水体系金属锂电池的制作过程。
所述微晶玻璃陶瓷电解质片表面抛光过程包括：用5000～7000目的抛光砂纸，通过研磨抛光机在微晶玻璃陶瓷电解质片一面进行转速80～150rpm、10～30min的抛光。
所述微晶玻璃陶瓷电解质片预处理过程包括：
⑴在超声波清洗机中，用乙醇或丙酮有机溶剂对微晶玻璃陶瓷电解质片超声浸泡5～30min，除去微晶玻璃陶瓷电解质片的表面油污；
⑵将除去油污后的微晶玻璃陶瓷电解质片在浓H2SO4+K2Cr2O7洗液中浸泡1～20min；
⑶用去离子水将洗液浸泡后的微晶玻璃陶瓷电解质片超声清洗3～6次，每次超声清洗的时间为5～15min；
⑷将清洗后的微晶玻璃陶瓷电解质片置于真空干燥箱，50～100℃温度下干燥3～12h，完成微晶玻璃陶瓷电解质片的预处理过程。
所述步骤⑵中金属过渡层的制作过程包括：
⑴采用磁控溅射设备，在惰性气体Ar环境中，将与铝塑膜粘接部位的微晶玻璃陶瓷电解质片表面沉积一层铝、钛或镍层作为金属过渡层；
⑵对金属过渡层分别进行脱脂、出光和钝化处理。
所述脱脂处理为将金属过渡层在浓度为1～5%的C106脱脂液中浸泡10～60s，取出后用去离子水冲洗30～180s；所述出光处理为将脱脂处理后的金属过渡层在浓度为30～80%D140的出光液中浸泡5～30s，取出后用去离子水冲洗30～180s；所述钝化处理为将出光处理后的金属过渡层在浓度为1～10%的B901钝化液浸泡30～120s，取出后用去离子水冲洗30～180s。
实施例：
1.取用尺寸为20×20mm，厚0.5mm的微晶玻璃陶瓷电解质片4，使用精密研磨抛光机，抛光砂纸7000目，抛光转速110rpm，抛光时间20min，对微晶玻璃陶瓷电解质片进行抛光处理；
2.抛光完成后，将微晶玻璃陶瓷电解质片置于超声波清洗机中用丙酮超声浸泡处理20min，除去微晶玻璃陶瓷电解质片的表面油污；取出晾干后放入浓H2SO4+K2Cr2O7洗液中浸泡10min，完成后使用去离子水超声清洗5次，每次超声清洗的时间为10min；将清洗后的微晶玻璃陶瓷电解质片放入真空干燥箱70℃干燥10h，完成微晶玻璃陶瓷电解质片的预处理过程；
3.采用SP-3磁控溅射设备，本底真空抽至3×10-3，溅射气压1pa，溅射功率2w/cm2，在预处理完成的微晶玻璃陶瓷电解质片一面靠近边缘处沉积一层宽为2mm厚度约为500nm的金属钛制作金属过渡层3；
4.将金属过渡层在C106浓度为3%脱脂液中浸泡20s，取出后用去离子水冲洗120s，完成金属过渡层的脱脂处理；
5.将脱脂处理后的金属过渡层在D140浓度为50%的出光液中浸泡10s，取出后用去离子水冲洗120s，完成金属过渡层的出光处理；
6.将出光处理后的金属过渡层在B901浓度为3%的钝化液浸泡60s，取出后用去离子水冲洗120s，完成金属过渡层的钝化处理；
7.将热熔胶2置于装有金属锂5的铝塑膜1和微晶玻璃陶瓷电解质片4上的金属过渡层之间，采用热压机将铝塑膜和金属过渡层密封热压成一体；在干燥气氛下注入PC+EC+DMC=1:1:1，1M LiPF6电解液，完成如图1所示高可靠水体系金属锂电池的制作过程。
高可靠水体系金属锂电池密封性试验：将封装完成后的高可靠水体系金属锂电池浸入NH4Cl饱和的4Mol/L LiCl中，放置30天之后，在干燥气氛下拆解，内部金属锂未见腐蚀。试验证明，本发明制备的高可靠水体系金属锂电池通过在表面进行处理后的微晶玻璃陶瓷电解质片上制作金属过渡层，封装的金属锂在长时间处于有机和水系电解液环境下未发生泄露问题，极大的提高了水体系金属锂电池在放电过程中的稳定性和安全性。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.高可靠水体系金属锂电池的制备方法，包括通过热熔胶，将金属锂密封封装在铝塑膜和微晶玻璃陶瓷电解质片形成的密封空间，其特征在于：包括以下顺序的制作步骤：
⑴先后对微晶玻璃陶瓷电解质片表面进行抛光、预处理；
⑵在预处理后的微晶玻璃陶瓷电解质片一面上靠近四周处制作金属过渡层；
⑶将步骤⑵制作微晶玻璃陶瓷电解质片上的金属过渡层通过热熔胶与铝塑膜进行密封封装成一体，在干燥气氛下注入电解液，完成本发明高可靠水体系金属锂电池的制作过程。
2.根据权利要求1所述的高可靠水体系金属锂电池的制备方法，其特征在于：所述微晶玻璃陶瓷电解质片表面抛光过程包括：用5000～7000目的抛光砂纸，通过研磨抛光机在微晶玻璃陶瓷电解质片一面进行转速80～150rpm、10～30min的抛光。
3.根据权利要求1所述的高可靠水体系金属锂电池的制备方法，其特征在于：所述微晶玻璃陶瓷电解质片预处理过程包括：
⑴在超声波清洗机中，用乙醇或丙酮有机溶剂对微晶玻璃陶瓷电解质片超声浸泡5～30min，除去微晶玻璃陶瓷电解质片的表面油污；
⑵将除去油污后的微晶玻璃陶瓷电解质片在浓H2SO4+K2Cr2O7洗液中浸泡1～20min；
⑶用去离子水将洗液浸泡后的微晶玻璃陶瓷电解质片超声清洗3～6次，每次超声清洗的时间为5～15min；
⑷将清洗后的微晶玻璃陶瓷电解质片置于真空干燥箱，50～100℃温度下干燥3～12h，完成微晶玻璃陶瓷电解质片的预处理过程。
4.根据权利要求1所述的高可靠水体系金属锂电池的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中金属过渡层的制作过程包括：
⑴采用磁控溅射设备，在惰性气体Ar环境中，将与铝塑膜粘接部位的微晶玻璃陶瓷电解质片表面沉积一层铝、钛或镍层作为金属过渡层；
⑵对金属过渡层分别进行脱脂、出光和钝化处理。
5.根据权利要求4所述的高可靠水体系金属锂电池的制备方法，其特征在于：所述脱脂处理为将金属过渡层在浓度为1～5%的C106脱脂液中浸泡10～60s，取出后用去离子水冲洗30～180s；所述出光处理为将脱脂处理后的金属过渡层在浓度为30～80%D140的出光液中浸泡5～30s，取出后用去离子水冲洗30～180s；所述钝化处理为将出光处理后的金属过渡层在浓度为1～10%的B901钝化液浸泡30～120s，取出后用去离子水冲洗30～180s。
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